撞击流反应器内二氧化碳水合物生成动力学研究

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近年来气候变暖日益加剧,降低以二氧化碳为主的温室气体排放是最严峻的环境问题。水合物法吸收二氧化碳是一种新型的分离技术,具有分离效率高、工艺简单等优点。然而从实验室研究到工业化应用仍然存在相当多的问题,如水合物生成较为缓慢、能耗较高、气体压缩成本较大等。水合物的生成是一个典型的气-液-固多相反应过程,涉及多相间的传热传质,因此,强化多相传递过程能促进水合物的快速生成。从传统的搅拌、喷淋、鼓泡,到射流、超重力等,新型水合物反应器也在被不断开发出来。撞击流技术是近年来强化方法的新进展,其相间相对速度极高,能有效的强化相间传递,已成功应用于燃烧、结晶、混合等化工领域。本文将撞击流技术首次应用于水合物生成领域,设计并制造了一台新型立式无旋液体连续相撞击流水合反应器,以二氧化碳水合物为研究对象,研究了撞击流水合反应器内二氧化碳水合物生成动力学特性,考察了不同温度、压力、转速(撞击强度)等条件下,水合物生成过程中系统内压力的变化,并分析了耗气量、水合反应速率常数、反应空速、活化能等动力学参数。通过实验研究,取得以下成果:(1)考察了不同温度下,水合物生成动力学特性。结果表明,温度对水合过程中系统内压力变化的影响较弱。(2)考察了不同初始压力下,水合物生成动力学特性。结果表明,随着初始压力的提高,系统内压力降低较快。耗气量和水合反应速率常数与初始压力呈线性关系。增大初始压力,提高了初始状态的逸度,由此提高了初始状态和平衡状态的逸度差,增大了水合反应的推动力,促进了水合物的生成。因此增大初始压力能有效地促进水合物的生成。(3)考察了不同转速(撞击强度)下,水合物生成动力学特性。结果表明随着转速(撞击强度)的增大,系统压力变化曲线越来越陡,且初末状态的压力差也增大。耗气量随着转速的增大而增大,呈线性关系。但水合反应速率常数先增大后降低,最大值为7.05×10-8 mol2/(s·J),此时的转速为600 r/min,撞击强度为0.21,水合反应速度最快。(4)初始压力越大、转速越快,水合反应空速也随之增大,呈线性关系。(5)进一步对二氧化碳水合物的生成过程进行了动力学分析,计算出在此实验条件下水合物生成的活化能Ea为24.74 kJ/mol。本文研究了液体连续相撞击流水合反应器中二氧化碳水合物生成动力学特性,拓展了撞击流技术的应用领域,并为二氧化碳捕获提供新的选择。
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